并发编程之深入理解AQS

什么是AQS？

java.util.concurrent包中的大多数同步器实现都是围绕着共同的基础行为，比如等待队列、条件队列、独占获取、共享获取等，而这些行为的抽象就是基于AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）实现的，AQS是一个抽象同步框架，可以用来实现一个依赖状态的同步器。

JDK中提供的大多数的同步器如ReentrantLock, Semaphore、CountDownLatch等，都是基于AQS框架来实现的。**（一般是通过一个内部类Sync继承AQS将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法）**以下是ReentrantLock的相关源码：

通过以上图片我们可以看到ReentrantLock实现了Lock接口，然后内部类Sync继承了AbstractQueuedSynchronizer，所以说ReentrantLock也是基于AQS框架来实现的。

AQS的特性

阻塞等待队列 2. 共享/独占 3. 公平/非公平 4. 可重入 5. 允许中断

AQS内部维护属性volatile int state

state表示资源的可用状态

State三种访问方式：

getState()、setState()、compareAndSetState()

AQS定义两种资源共享方式

Exclusive-独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock

Share-共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore/CountDownLatch

AQS定义两种队列

同步等待队列：主要用于维护获取锁失败时入队的线程

条件等待队列：调用await()的时候会释放锁，然后线程会加入到条件队列，调用signal()唤醒的时候会把条件队列中的线程节点移动到同步队列中，等待再次获得锁。

同步等待队列

AQS当中的同步等待队列也称CLH队列，CLH队列是Craig、Landin、Hagersten三人发明的一种基于双向链表数据结构的队列，是FIFO先进先出线程等待队列，Java中的CLH队列是原CLH队列的一个变种,线程由原自旋机制改为阻塞机制。

AQS 依赖CLH同步队列来完成同步状态的管理：

当前线程如果获取同步状态失败时，AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入到CLH同步队列，同时会阻塞当前线程。
当同步状态释放时，会把首节点唤醒（公平锁），使其再次尝试获取同步状态。
通过signal或signalAll将条件队列中的节点转移到同步队列。（由条件队列转化为同步队列）

条件等待队列

AQS中条件队列是使用单向列表保存的，用nextWaiter来连接

调用await方法阻塞线程。
当前线程存在于同步队列的头结点，调用await方法进行阻塞（从同步队列转化到条件队列）。

Condition接口详解

condition条件等待队列用于支持线程的条件等待和唤醒操作。当一个线程在某个条件上等待时（使用await方法），它将会释放持有的锁，并进入条件等待队列，等待其他线程通过signal或signalAll方法来唤醒它。以下是await和signal方法的相关解析：

await()方法

当线程调用await方法时，它首先会检查当前线程是否持有锁。如果线程没有持有锁，则会抛出IllegalMonitorStateException异常。持有锁的情况下会创建一个节点（Node对象）来表示当前线程，并将该节点加入到条件等待队列中（即将节点加入到Condition的等待队列中）。线程会释放持有的锁，并进入等待状态，直到被唤醒。同时，线程会被阻塞在条件等待队列上的节点上，使其不再参与锁的竞争。当线程被唤醒时，它会重新尝试获取锁，并从await方法返回，继续执行后续代码。

signal/signalAll方法

当线程调用signal方法时，它会将条件等待队列中的第一个节点从条件等待队列中移动到同步队列中（即移动到AQS的等待队列中），表示该线程有机会再次参与锁的竞争。

AQS总结

AQS是多线程同步器，它是JUC包中多个组件的底层实现，如 Lock、 CountDownLatch、Semaphore等都用到了AQS. 从本质上来说，AQS 提供了两种锁机制，分别是排它锁和共享锁。排它锁，就是存在多线程竞争同一共享资源时，同一时刻只允许一个线程访问该共享资源，也就是多个线程中只能有一个线程获得锁资源，比如Lock中的ReentrantLock可重入锁实现就是用到了 AQS中的排它锁功能。共享锁也称为读锁，就是在同一时刻允许多个线程同时获得锁资源，比如 CountDownLatch和Semaphore都是用到了AQS中的共享锁功能。

AQS采用了一个int类型的互斥变量state用来记录锁竞争的一个状态，0表示当前没有任何线程竞争锁资源，而大于等于1表示已经有线程正在持有锁资源。一个线程来获取锁资源的时候，首先判断state是否等于0，如果是(无锁状态)，则把这个state更新成1，表示占用到锁。此时如果多个线程进行同样的操作，会造成线程安全问题。把阻塞的线程按照先进先出的原则加入到一个双向链表的结构中（同步等待队列），当获得锁资源的线程释放锁之后，会从双向链表的头部去唤醒下一个等待的线程再去竞争锁。另外关于公平性和非公平性问题，AQS的处理方式是，在竞争锁资源的时候，公平锁需要判断双向链表中是否有阻塞的线程，如果有，则需要去排队等待；而非公平锁的处理方式是，不管双向链表中是否存在等待锁的线程，都会直接尝试更改互斥变量state去竞争锁。